激光扫描测量芯块直径的装置和方法

1.一种芯块直径监测系统(60)，包括：一个将芯块(P)沿着一条公共轴线首尾相接排成一列的装置(22)；一个将首尾相接排成一列的芯块(P)沿着直线路径(L)推进的装置(66)；一个检查和测量芯块(P)外径的激光扫描装置(64)；其特征在于：所说的装置(64)包括一个激光光源(56)和接受器(58)，分别安置在所说的直线路径(L)的相对的两侧，并与所说的芯块列(P)的公共轴线不成直角取向，它们分别发射和接收一束激光束(B)，该光束沿着一条和所说的芯块(P)的公共轴线不成直角取向的路径穿过芯块(P)，这样避免对芯块列中相邻芯块(P)的端部处进行检测。
2.一种如权利要求1所述的芯块监测系统（60），其特征在于所说的激光扫描装置（64）还包括一个跨在所说的直线路径（L）上的罩子（52），并限定一个空间（54），使芯块（P）能沿着所说的直线路径（L）穿过这个空间（54）前进。
3.一种如权利要求2所述的芯块监测系统（60），其特征在于所说的罩子（52）是斜架在所说的直线路径（L）上的。
4.一种如权利要求3所述的芯块监测系统（60），其特征在于所说的光源（56）和接受器（58）是装在所说的罩子（52）中邻近于所说的直径路径（L）的相对两侧的。
5.一种如权利要求1所述的芯块监测系统（60），其特征在于所说的激光束（B）的发射路径与所说的芯块（P）的公共轴线构成一个范围为58至60度左右的锐角。
6.一种如权利要求1所述的芯块监测系统（60），其特征在于所说的激光束（B）的发射路径与所说的芯块共公轴线之间构成一个大约59度的角度。
7.一种如权利要求1所述的芯块监测系统（60），其特征在于其中所述使芯块成一列的装置（22）是一条支撑导轨（22），它上面具有一直线通道（28），以便能限定所说的直线路径（L），在所说的导轨（22）上有一个槽（90），它平行于激光束（B）的路径并穿过所说的通道（28），以便允许从所说光源（56）发射的一部分激光束（B）可从芯块（P）的下面通过所说的槽到达所说的接受器（58）。
8.一种芯块直径监测方法，包括：将芯块（P）沿着一条公共轴线首尾相接地排成一列;沿着一条直线路径（L）推进首尾相接排成一列的芯块（P）;扫描排成一列前进的芯块（P），以检查和测量芯块（P）的外径，其特征在于：上述扫描步骤的分步骤为沿着与所说芯块列（P）的公共轴线不成直角取向的方向发射一束激光束（B），从而避免了对成排的芯块相邻芯块（P）的端部处的检测。
9.一种如权利要求8所述的芯块监测方法，其特征在于，所说的激光束（B）的发射路径与所说的芯块（P）的公共轴线构成一个范围约在58至60度之间的锐角。
10.一种如权利要求8所述的芯块监测方法，其特征在于所说的激光束（B）的发射路径与所说的芯块（P）的公共轴线之间构成一个约59度的角度。
11.一种如权利要求8所述的芯块监测方法，其特征在于其中所说的激光束（B）是不成直角取向发射，同时从上面和下面通过芯块（P）的。

本发明关系到核燃料芯块直径的监测，尤其是在芯块生产线上用激光扫描芯块以测量芯块直径的装置和方法。\n核燃料芯块的直径过大或过小会极大地影响制造核燃料棒的性能和耗费。芯块直径过大会堵塞进入燃料棒的入口，这就需操作人员关掉芯块的装入设备，拨出过大的芯块，和/或更换受损的燃料棒。这一更改措施就大大浪费了生产时间。\n另外，燃料芯块过大将导致核电站反应堆芯中的核燃料棒早期更换并造成浪费。如果芯块太大则芯块与包壳之间的间隙会太小，以致在堆芯运行时产生剩余的包壳应力，甚至使燃料棒毁坏。另一方面，芯块过小会因棒中最佳燃料量不足而使燃料棒的效率降低。\n以往是在制造过程的两个阶段分别对芯块直径进行随机检测的。先是由质量管理人员用手持测微计在各托盘中测量一个芯块是否过大或过小并记录结果。然后在其离开研磨台时由操作人员手持测微计再作随机检测。芯块直径的公差是标准值的正负0.0005时，这时操作人员就只作监测而不作记录，他们只是以此适当地调整研磨过程。\n最近逐渐形成一种倾向，就是希望对所生产的芯块做100%的监测来替代随机抽检。目前正在使用一种监测系统是，用一个装在芯块传送装置上的激光扫描装置的一束激光束来扫描运动着的芯块，它们首尾相接排成一列从研磨台送往芯块存贮盘。但是这种系统的若干缺点妨碍它获得满意的监测结果。\n一个缺点是，为了推动一长排芯块，芯块传送装置须夹紧最后面一个芯块来推动整排芯块。这样，这排芯块的中段部分很容易被后面的芯块推动而拱起，这种拱形会导致直径测量的误差，并错误地显示出直径过大的芯块。\n另一缺点是芯块传送装置采用一个旋转飞轮，通过连杆与往复运动的拖板相连以驱动拖板及一个装在拖板上的芯块夹持机构，完成前进和返回两个行程。飞轮的均匀旋转运动被转换成拖板的不均匀、不等速的往复运动。中部的芯块就以此两端部的芯块高的运动速度通过激光器，往往使激光器对每个中部的芯块只能进行一次测量。\n这样，由于每一个芯块并非都以相同的速度通过检测激光器，就降低了读数的精度，并使采读的次数减少。因为仅对某一个芯块取到一个局部的直径过大的情况，会导致今后将它装入燃料棒时发生困难及增加包壳的应力;所以，采读次数的减少是有悖于我们的期望的。\n还有一个缺点是激光束是垂直于芯块的轴线及其运动方向的。这种取向就会读出相邻两个芯块间倒角处的直径数值，这将给出芯块直径减小了或过小的误读数。当扫描器发出的激光束是垂直于芯块的中心轴线时，倒角处的读数会比额定直径数小40密耳。\n因此，有必要用不同的方案来传送芯块和侧量芯块的直径以避免上述的缺点。\n本发明提出一种激光扫描测量芯块直径的装置和方法，这是经过改进的芯块监测系统中的一部分，用以克服上述缺点，并满足前面提到的要求。除了激光扫描测量芯块直径的装置和方法，这个改进的芯块监测系统还包括一个芯块传送装置和方法，后者是一份与本发明相关的另一待批专利申请。虽然本发明和该相关发明用在同一个芯块监测系统中，而且，为了便于完整而彻底地理解本发明，又将它们放在一起来描述，但是应当明白，本发明与该相关发明都是独立的。\n因此，本发明属于一个芯块直径监测系统。该系统包括：（a）一个将芯块首尾相接沿一共轴线排成一列的装置;（b）一个沿着一条直线轨道推进首尾相接排成一列的芯块的装置;和（c）一个用于检测芯块直径是否超过范围的激光扫描装置。该装置包括一个激光源和一个光束接收器，它们相对地，并与芯块列的公共轴线不成直角的方位分别安放在芯块列直线路径的两侧，分别发射与接收沿着与芯块列的公共轴线不成直角的方向穿过芯块的激光束，这样就可以免于测出芯块与芯块邻接处的直径数据。\n另外，激光扫描装置还包括一个跨在直线路径上的罩子，芯块列就穿过罩内的空间沿着直线路径前进。这个罩子相对于直线路径也是斜放着的。激光源和接收器是贴着罩子装在直线路径两侧。激光束的发射指向和路径与芯块列的公共轴线成锐角，范围大致在58到60度;最佳为59度。\n本发明还属于一种芯块监测方法，它包括如下的步骤：（a）将芯块首尾相接沿着一条公共轴线排成一列;（b）沿着一条直线路径推进首尾相接的芯块;（c）发射一束激光束，使其方向与排与一列的芯块所沿的公共轴线成一个非直角，用它扫描正在行进的芯块列来检查和测量芯块的外径，这样可以排除检测芯块列中首尾相接处的部位。激光束的发射指向和路径与芯块列的公共轴线成锐角，范围大致在58到60度;最佳为59度。\n在后面的详细说明中将参考下列附图：图1是已有技术的芯块直径监测系统顶视图。该系统采用一个与激光扫描装置相联的传送装置，推动芯块自研磨台经激光扫描装置而进到芯块存贮盘中，并由激光扫描装置检测芯块的过大或过小。\n图2是一个已有技术的芯块监测装置的侧视图。\n图3是沿图1中已有技术芯块监测系统3-3线的放大了的端视图，示出该系统所用抓紧机构的抓紧及释放位置。\n图4是沿着图2中4-4线的该系统中激光扫描装置的放大了的端视图。\n图5是穿过激光扫描装置的罩子而延伸着的传送装置的部分支撑导轨的顶视图。\n图6是图5中的支撑导轨沿6-6线的侧视图。\n图7是与图4所示相似的激光扫描装置，表示激光束自光源发出并被接受器所接受。\n图8是两个首尾相接的芯块的顶视图，表示了激光束通过芯块的方向是和首尾相接的芯块的公共轴线成直角取向的。\n图9是如图1所示的芯块监测系统的侧视图，表示了传动装置的工作。\n图10是传送装置中成排芯块中发生拱起情况的侧视图。\n图11是用已有技术的传送装置传送芯块列时（参见图9），每个芯块不同起始位置与其通过激光扫描装置时的速度之间的关系图。\n图12是改进了的芯块直径监测系统的侧视图，该系统采用一个本发明的改进了的激光扫描装置及与之相联的与本发明相关的发明所示的芯块传送装置，以便用一个和芯块轴线不成直角取向的激光束对芯块进行扫描。\n图13是图12的改进了的监测系统沿13-13线的顶视图。\n图14是图12的改进了的监测系统沿14-14线的放大了的横截面图，表示改进了的监测系统中所用的抓紧机构的抓紧释放位置。\n图15是图12的改进了的传送装置的部分放大图，以及其部分剖视图。\n图16是图12的改进了的激光扫描装置沿16-16线的部分顶视图。\n图17是穿过激光扫描装置的罩子的传送装置部分支撑导轨的侧视图。\n图18是沿图17支撑导轨的18-18线的顶视图。\n图19是激光扫描装置和支撑导轨的部分放大了的顶视图，其中部分是剖开的断面图。\n图20是芯块列中两个首尾相接芯块的顶视图，表示首尾相接的芯块的公共轴线相对于激光束穿过芯块的方向不成直角取向。\n图21是如图12的改进了的监测系统的侧视图，表示改进了的传送装置处其在前进行程的初始。\n图22是图12的改进了的监测系统的侧视图，表示传送装置处在前进行程结束，返回行程的初始。\n图23是图12的改进了的监测系统的侧视图，表示处于返回行程结束时。\n参考附图，尤其是附图1-3，这是已有技术的芯块直径监测系统，通常用数字10来表示它。\n已有技术的监测系统基本上采用一个芯块传送装置12，它和一个激光扫描装置14相配合。激光扫描装置14用一束激光束B（图7）对由传送装置12推动的，首尾相接排成一列的芯块P同时进行测量，以便检出直径过大或过小的芯块。芯块P从一个位置，例如从传送带16处，由研磨台（未在图上示出）的出口处被接收下来而后再卸到另一个位置，例如芯块存贮盘处。\n传送装置基本上包括一个安装平台20，一个长的固定支撑导轨22和一个芯块传送机构24。平台20是水平伸展的并固定安置在传送带16和存贮盘18之间。固定支撑导轨22用支架26支起安装在平台20上，靠近传送带16处和存贮盘18处各有一个入口22A和一个出口22B。支撑导轨22做成一条断面成V形的直线导向通道28，限定了一条从导轨22的入口22A处伸向出口22B处的直线路径L。支撑导轨22的通道28能够将芯块P首尾相接排成一列并沿着与芯块列长长的公共轴线重合的直线路径L导向滑动。\n芯块传送机构24包括一个装在齿轮箱32外侧的旋转飞轮30，齿轮箱32是用装在平台20上的适当的动力源，例如电机34来驱动的，传送机构24还包括一个用辊轮37支撑的拖板36以便在高架件38上作水平往复运动，高架件38用两个架空的倒U形支架40从平台20上支在芯块支撑导轨22的上方。拖板36以臂42通过一个长的连杆44与飞轮30边缘枢轴地相连。\n起动电机34，带动飞轮30旋转，使拖板36及其上的芯块夹具46沿着芯块P的直线路径及支撑导轨22进行往复式运动。参照图3，夹具46上有一对枢轴地安装在上面的抓手48，它们可以从抓紧位置（如实线所示）到释放位置（如虚线所示）绕轴动作。夹具46可以是商业上的成品，就如Arthur    G.Russell公司制造和销售的商业名为《Unigrip》的产品。抓手48在抓紧和释放位置之间的动作是通过一个装在夹具46上的气缸活塞的选择性操作进行伸展和收缩来达到的。\n参照图4-8，其中表示了已有技术监测系统10中的激光扫描装置14和与之相关联的部分支撑导轨22。从图4可看到激光扫描装置包括一个罩子52，它跨在芯块P沿支撑导轨22的直线路径L并限定一个空间，支撑导轨22就穿过它，芯块P由芯块传动机构24推动沿该直线路径前进。激光扫描装置14可以是任何一种适当的商业成品，就如Keyence    Corporation制造和销售的，商业名称为《激光扫描测微计》的产品。如图5和图6所示，芯块支撑导轨22穿过激光扫描装置14的罩子52并在其中形成一条直线通道28，芯块P即沿此通道而推进，该支撑导轨上还有一个槽55，横穿过通道28。\n参考图1，2，4和7，罩子52通常与支撑导轨22所限定的直线路径L垂直或成直角。如图7所示，激光扫描装置14包括一个光源56和一个接受器58。光源56和接受器58都安装在罩子52内。并在空腔54的相对两侧，也位于靠近直线路径L的相对两侧。这样，激光束B发射的定向路径相对于支撑导轨22上首尾相接地行进的芯块P的直线路径L基本上成直角取向，即接近于90度。激光束B的定向路径平行于导轨22上的横向槽55，以便激光束B可以从芯块P的下部，从光源56通过槽55到达接受器58。图8画了一列当中的两个首尾相接的芯块，并表示了芯块的公共轴线（即其直线路径L）与通过芯块的激光束的发射方向相互垂直。\n参照图9，已有技术的监测系统10中的传送机构24正在使夹具46抓住芯块列中的最后一个芯块以便推进该列通过监测装置14。传送机构24正从起始位置，（如虚线所示）照箭头所示的方向，沿着直线路径推动一整排芯块通过激光扫描装置14，以完成前进冲程。随着芯块前进相继通过该装置，穿过激光束B，激光扫描装置14按已知的方式检查和测量芯块的外径。如图7所示，由处在激光束B中的芯块P的遮挡所形成的影子的高度就被激光扫描装置14所感受和测量下来。然后，传送机构24的工作使得它的夹具46放松或释放这个芯块，之后在返回行程中相对于已经推进过来的芯块列回到起始位置。\n上述已有技术的芯块直径监测系统10有几个主要的缺点影响它的性能和效率。一个缺点就是芯块沿支撑导轨22前进的方式。传送装置24必须推动一长排芯块，其中不仅包括要去接受扫描和测量的芯块，而且也包括已经测量过的芯块。这是靠抓紧导轨22上靠近入口22A处的最后一个芯块来完成的。推动芯块列的后部往往使整排芯块的中段的几块被拱起。图10就表示了已有技术的监测系统10中所产生的芯块列中的拱起现象。这种拱起将导致用激光扫描测量直径的误差和对过大芯块的错误指示。\n另一个缺点在于由飞轮30，连杆44和拖板36带来的传送机构的特殊运动。飞轮30是匀速旋转的。但飞轮30的匀速旋转转换成拖板36的往复运动时，却成为不均匀的速度，图11是用传送装置12推动一列芯块通过激光扫描装置14时，在这一列芯块中的不同的起始位置（其中芯块1是位于最后一个）和每个芯块通过激光束时的不同的速度值之间的关系图。恰如图11所示，位在这一列中部的几个芯块与在两头的相比经过装置14时具有比较高的速度，以致激光束对各个中部的芯块只能进行一次测量。\n这样，并非每一个芯块都以相同的速度通过激光扫描测量装置14，这就减少了采读的次数并使测量精度降低。由于只对某一个芯块取得一个局部直径过大过小的状况，会导致今后将它装入燃料棒时发生困难，并增加气壳的应力，所以采读次数的减少是有悖于我们的期望的。\n还有一个缺点即激光束B是垂直于芯块P的轴线和它的运动方向的。这种取向就会读出相邻两个芯块间倒角G处的直径数字，这将给出芯块直径变小或过小的错读数。当激光扫描装置14发出的激光束B垂直于芯块的长轴时，倒角C处的读数会比额定的直径数小40密耳。\n现在参见图12-15，其中用数字60表示了一个改进了的芯块直径监测系统，它克服了上述已有技术监测系统10的全部缺点。改进了的监测系统60采用一个改进了的芯块传送装置62，（它构成本发明的相关申请）它和本发明的一个改进了的激光扫描装置64配合一起;以一恒定速度推动芯块P，并用一束与芯块的公共轴线不成直角取向的激光束B来扫描芯块。传送装置62和激光扫描装置64都是事先安装在研磨台出口的传送带16和芯块存贮盘18之间的同一个平台20上。\n相关发明的改进了的传送装置62采用与已有技术传送装置24同样的固定支撑导轨22，该导轨有同样的直线导向通道28。和前面的一样，固定导轨22的直线通道28使芯块首尾相接排成一排并按直线路径L导行而滑动。\n不过，现在改进的传送装置62包括一个传送机构66，它不同于已有技术传送装置12中的传送机构24。首先，传送机构66包括一对夹具68，70，它们相互隔开。每个夹具都可以在抓紧和释放两个位置间工作，就如图14中相应的实线和虚线所示的位置。虽然每个夹具68，70和已有技术传送装置24中用的单个夹具46本身是一样的，但是采用如图15所示的隔开安排的两个夹具68，70就消除了只用一个夹具46所带来的缺点。特别是因为用了一对夹具68，70以后，就把正被夹具68在激光器64前面推动着的这一列芯块的长度减少到最多不超过10英寸左右。这就消除了芯块拱起的问题，及由此产生的过大/过小芯块的误读数。同时，另一个夹具70将一大批芯块以极紊乱的运动方式推到存贮盘18上去，（总长可以超过24英寸长的一排芯块），从而这一批已经过激光测量的芯块就躲开了引起激光测量误差的干扰。\n传送机构66可操纵夹具68和70，通过前进行程和返回行程以便从起始位置出发再回到起始位置，如图12所示。传送机构66推动芯块通过激光扫描装置64时的速度（第一速度）是均匀不变的，而后夹具68，70被传送机构66返回到起始位置时的速度（第二速度）比第一速度为大。恒定的前进速度可保证每一个芯块通过激光扫描装置64时采读相同的测量次数，这就改进了监测系统60的测量性能，较大的返回速度减少了传送机构66回到起始位置所耗的时间。由于这段时间内芯块并不运动，也不进行测量，所以和以往的技术相比这就使测量的效率提到更高的水平。\n此外，传送机构66还包括一个驱动器72，用来推动夹具68，70，还有一个装有夹具68，70的托板74。驱动器72装上托板74使其沿着直线路径L移动。并将托板74和一对装在托板74上的夹具68，70在前进行程时按恒定的第一速度运动，在返回行程时按第二速度运动。\n传送机构66的驱动器72可以采用任何一种适当的机件，不过，下面一种驱动器72是较为适合的机件，它有一个长长的空管状的外壳76，一个长长的外螺纹进给丝杠78，它的两端安装在外壳76的两端处，并能够转动。还在外壳76的一端上装有一个动力源，例如电机80，并与旋转进给丝杠78的一端相耦合，以便能驱动丝杆。用一对装在平台20上的彼此隔开的、竖立着的倒U形支架82把管状外壳76架在平台20和支撑导轨22的上方，且在两个支架82的中间。进给丝杠驱动器72可以是任何一种合适的商业成品，例如Microslide制造和销售的商业名为《Compact    Elecfro-Slide》的产品。\n传送机构66的托板74装在驱动器72的螺纹进给丝杠78上，与之相耦合并由其驱动。托板74包括一对互相隔开着的、装在外螺纹进给丝杠78上的内螺纹丝母84，还有一个装在丝母84下边的长支板86，支板86底下再装有一对隔开着安装的夹具68、70。这样，电机80以一个方向旋转丝杠78时，就使托板74和夹具68，70沿着直线路径L以恒定的第一速度前进，完成前进行程，而电机80以相反方向转动丝杠78时就使托板74和夹具68，70以第二速度后退，完成返回行程。调整与进给丝杠驱动器72相连的变速控制器（图中未显示），就可将驱动器的工作速度调成使托板74在返回行程时的第二速度大于托板74在前进行程时的第一速度。\n如上所述，采用一对夹具68，70消除了芯块拱起的问题，又因为单个夹具推动的芯块列的长度大约减少了一半，就消除了芯块尺寸过大或过小的错误读数。夹具68，70是这样安装在托板74上的，即当传动机构66处在如图12和21上所示的起始位置时，第一个（即后面一个）夹具68位于后排芯块TR的最后一个芯块附近，它们即将沿着直线路径L前进以使之接受激光扫描装置64的扫描（准备检测），而第二个（即前面一个）夹具70在第一个夹具的前面，沿着直线路径隔开一段距离，它位于已沿直线路径L推进并经过激光扫描装置64扫描过之后的前排芯块LR中的最后一个芯块附近。\n尤其是因为采用了与传送机构66相联的适当的控制（图中未表示出），使第二夹具70从释放位置到抓紧位置的动作早于第一夹具68从释放位置到抓紧位置的动作。也就是，在前进行程中，托板74先开始从起始位置运动、然后第一夹具68再开始动作，这样就使已经经过扫描的前排芯块列LR率先被前面的夹具70所推动，此后，即将被扫描的后排块列TR才开始运动。由此就在已经经过扫描的前排芯块LR和等待进行扫描的后排芯块TR之间产生一个间隙88。（见图22）这个间隙88的存在，就减少了后排芯块TR被前排芯块LR所挤而出现拱起现象的可能。\n图16-19表示改进了的芯柱监测系统60采用本发明的激光扫描装置64时与芯块支撑导轨22相配合的情况。激光扫描装置64可以采用和已有技术的激光扫描装置14完全一样的装置。尤其是，激光扫描装置采用了具有空间54的相同的罩子52，还采用了相同的光源56，相同的接受器58，同样也将它们安置在直线路径L的相对的两边。但是恰如图16和19所示，现在的罩子52是斜对着导轨22安放的。又如图20所示，光源56发射激光束B，对于芯块列P的公共轴线是不成直角取向的。最佳的非正交角度取向应该是避免测出两个芯块相邻处倒角C上的直径值。例如，激光束B发射并通过芯块P端部倒角C处时和芯块的公共轴线所构成的锐角应该在大约58到60度这个范围之间。和芯块公共轴线所成的最佳角度是59度左右。为使激光束B能在芯块的下面穿过，就象图17-19所示那样，并在支撑导轨22上的槽90就应该和激光束一样，和导轨构成非正交的相同角度。\n图21-23表示改进了芯块监测系统60的几个连续的工作阶段，这个系统采用改进的芯块传送装置62及改进了取向的激光扫描装置64。图21表示了在前进行程刚开始时传送装置62处在起始位置的情况。在这个起始位置时，第一夹具68正位于后排芯块TR的最后一个芯块附近，而第二夹具70正位于前排芯块LR的最后一个芯块附近。\n如前所述，运行开始时传送机构62在起动第一夹具68使之从释放位置转成抓紧位置之前就首先起动第二夹具70，使它从释放位置转成抓紧位置，而且托板74也是在第一夹具68开始动作抓紧它的最后一个芯块之前先开始同时推动两个夹具68，70从起始位置沿着前进行程移动一小段距离。这种工作程序就可在前排芯块LR和后排芯块TR之间形成一个间隙88，以防止后排芯块的拱起。\n图22表明了前进行程结果，返回行程开始时传送装置62的工作状况。现在夹具68，70都处在释放位置，因此两排芯块都因被放松而处在静止状态，以便传送机构66可以退回到起始位置。\n图23表明了在返回行程结束时传送装置62的工作状态。应当指出，在支撑导轨22的入口处22A附近还有一个辅助气缸制动机构92。当传送机构66正在推进芯块的时候，制动机构92就动作以约束传送带16上的头一个芯块，使它处在固定位置上，而不运动到支撑导轨上来。一旦传送机构66到达前进行程的终点时，制动机构92就动作，放开把头一个芯块。